MD152Y - Procedeu de formare a unei microstructuri tridimensionale - Google Patents

Abstract

Inventia se refera la un procedeu de formare a unei microstructuri tridimensionale prin modificarea conform imaginii date a proprietatilor substantei semifabricatului initial in sectoarele prelucrate si poate fi utilizata in microelectronica la prepararea celulelor solare, mijloacelor de pastrare a informatiei. Procedeul de formare a unei microstructuri tridimensionale include depunerea pe un suport de Si a unui strat de lucru de substanta cu structura compozita ITO si prelucrarea structurii obtinute prin microindentare cu sarcini in limitele 0,01…0,50 N cu inlaturarea ulterioara a sectoarelor deformate prin intermediul decaparii chimice cu acid fluorhidric concentrat.

Description

Invenţia se referă la un procedeu de formare a unei microstructuri tridimensionale prin modificarea conform imaginii date a proprietăţilor substanţei semifabricatului iniţial în sectoarele prelucrate şi poate fi utilizată în microelectronică la prepararea celulelor solare, mijloacelor de păstrare a informaţiei.

Este cunoscut procedeul de creare a structurilor tridimensionale. Esenţa procedeului constă în aceea că prin doparea ionică a solidelor concomitentă sau consecutivă, totodată, prin tratarea cu ioni de gaz inert în obiect se formează nanopori de gaz cu umplerea concomitentă sau consecutivă a volumului lor cu ioni ai elementelor de fază nativă [1].

Dezavantajul procedeului cunoscut constă în aceea că fazele menţionate se formează haotic în materialul prelucrat, fără distribuirea lor determinată din start, ceea ce limitează sfera aplicării lor practice.

Mai este cunoscut procedeul de preparare a imaginii conductibile în volumul straturilor fine cu grosimea de 20 nm prin extragerea atomilor nemetalici sub acţiunea unui fascicul de particule încărcate [2]. Dezavantajul procedeului cunoscut constă în aceea că nu este posibil de obţinut structuri voluminoase cu grosimea (adâncimea) mai mare decât ~ 100 nm, inclusiv multistrat. Pentru majorarea densităţii amplasării elementelor de structuri paternate la grosimi mai mari ale straturilor prelucrate este necesar de a alege o astfel de energie pentru ca înălţimea gâtului (gurii) retortei de dispersie să coincidă cu grosimea straturilor prelucrate pentru a se evita unirea elementelor învecinate ale structurii conductibile la atingerea pereţilor retortei de dispersie. Gâtul retortei de dispersie în acest procedeu poate avea o altitudine mică datorită grosimii mici a straturilor prelucrate. Simpla majorare a energiei particulelor care ar putea să alungească gâtul retortei de dispersie (şi prin aceasta să majoreze grosimea straturilor prelucrate fără micşorarea densităţii atinse a structurilor formate paternate şi fără modificarea condiţiilor de realizare a procedeului duce la dispariţia materialului în zonele supuse iradierii, cea ce poate fi explicat prin influenţa unor procese care au loc la iradiere (spre exemplu, tratament ionoreactiv, pulverizarea fizică). Afară de aceasta în cazul dat apar mari probleme la evacuarea căldurii pentru menţinerea temperaturii admisibile a mostrelor în procesul de iradiere.

Cel mai apropiat de procedeul propus după esenţa tehnică şi rezultatul obţinut este procedeul de creare a structurii voluminoase, care include depunerea pe substrat a unuia sau mai multor straturi de lucru din combinaţii de două sau multe straturi de lucru din compuşi biatomici sau multiatomici, iradierea lor ulterioară prin mască sau şablon cu un fascicul de particule accelerate, care asigură eliminarea selectivă a atomilor de un anumit tip de pe sectoarele iradiate însoţită de modificarea proprietăţilor substanţei, totodată deasupra stratului de lucru se aplică un strat suplimentar de substanţă, afinitatea chimică a căruia la atomii eliminaţi din stratul de lucru este mai mică decât la atomii care nu au fost eliminaţi din stratul de lucru [3].

Dezavantajul procedeului cunoscut constă în complexitatea lui şi absorbţia înaltă de energie, totodată procedeul nu permite de a obţine un relief bine conturat al imaginii şi de a dirija arhitectura structurii voluminoase.

Problema pe care o rezolvă invenţia propusă constă în majorarea gradului de reliefare a imaginii structurii tridimensionale după schema stabilită din start, facilitarea şi ieftinirea procesului de obţinere a desenului în volumul straturilor cu grosimea de 100…700 nm şi posibilitatea dirijării dimensiunilor şi a proprietăţilor structurilor obţinute.

Esenţa invenţiei constă în aceea că procedeul de formare a unei microstructuri tridimensionale include depunerea pe un suport de Si a unui strat de lucru de substanţă cu structură compozită ITO şi prelucrarea structurii obţinute prin microindentare cu sarcini în limitele 0,01…0,50 N cu înlăturarea ulterioară a sectoarelor deformate prin intermediul decapării chimice cu acid fluorhidric concentrat.

Procedeul permite evitarea apariţiei efectelor legate de iradierea stratului de lucru şi contribuie la extinderea nomenclaturii tipurilor de compoziţii chimice utilizate în calitate de strat de lucru şi variaţia alegerii diferitor combinaţii „strat de lucru-substrat” ceea ce face posibilă aplicarea procedeului propus pentru crearea structurilor tridimensionale cu diferite destinaţii. Procedeul permite de a dirija arhitectura structurii tridimensionale obţinute datorită modificării grosimii stratului de lucru, timpului de tratament selectiv, mărimii sarcinii la prelucrarea mecanică a stratului şi datorită modificării desenului de prelucrare.

Rezultatul menţionat a fost obţinut la realizarea procedeului de formare a structurii tridimensionale, care include aplicarea pe un suport a unui strat de lucru şi prelucrarea ulterioară a structurii obţinute, ce permite înlăturarea selectivă a stratului în sectoarele prelucrate, pentru aceasta în calitate de suport este folosit Si, în calitate de strat de lucru este aplicat un strat de ITO (indium tin oxide), pentru prelucrarea stratului de lucru se aplică microindentarea structurii obţinute cu sarcini în limitele 0,01…0,5 N, iar eliminarea sectoarelor deformate este realizată prin tratament chimic cu acid fluorhidric concentrat (HF).

Rezultatul tehnic al procedeului propus constă în obţinerea structurii tridimensionale după schema planificată, forma şi dimensiunile căreia pot fi dirijate în funcţie de domeniul aplicării practice. Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-4, care reprezintă:

- fig. 1, microstructura, spectrele şi compoziţia chimică a structurii ITO/Si în funcţie de distanţa de la suprafaţă (aspectul în secţiune): A,b - în interiorul stratului ITO; c,d - la o distanţă de la stratul ITO în volumul cristalului de Si;

- fig. 2, amprente depuse cu diferite sarcini P, N: a - 0,15; b - 0,20; c - 0,50 x 800;

- fig. 3, aspectul amprentelor depuse cu trei sarcini diferite şi zonele din jurul lor după tratamentul chimic timp de 2 min P, N: a - 0,01; b - 0,1; c - 0,4 x800;

- fig. 4, structura tridimensională (a, b) în secţiune şi, respectiv, imaginea frontală a acestei figuri pe suprafaţa stratului ITO (c). P=0,1 N: (a) - relieful suprafeţei amprentei (d) şi zona din jurul ei până la tratamentul chimic (în secţiune), (b) - profilul zonei dizolvate (Df) după 4 min de tratament chimic selectiv cu acid fluorhidric concentrat (HF). Axa Y: nm. Linia suprafeţei de secţiune schematic este prezentată în inserţie; (c) - suprafaţa amprentei şi zona din jurul ei după tratamentul selectiv cu HF (imagine frontală).

Procedeul propus se realizează în felul următor.

La prima etapă se obţine structura planară TCO/Si (oxizi conductibili transparenţi). În calitate de TCO se folosesc pelicule de In2O3·SnO2 (ITO) cu grosimea de la 100 nm până la 700 nm care se depun pe substrat de Si. Structura de aşa fel poate fi clasată drept tip „dur-pe-dur”.

După aceasta structura compozită se supune microindentării după metoda lui Vickers cu sarcini în limitele 0,01…0,5 N cu scopul de a crea amprente de duritate de diferite dimensiuni.

Următoarea etapă este extragerea parţială a stratului ITO prin tratament chimic din zonele de deformare elastoplastică din jurul amprentelor utilizând acidul fluorhidric concentrat (HF).

Rezultatul acţiunii acidului fluorhidric este crearea figurilor de gravură a stratului ITO. Forma şi dimensiunea figurilor de gravură pot fi dirijate prin schimbarea sarcinii la microindentare, duratei timpului de acţiune chimică şi modului de deformare după desenul planificat din start (depunerea amprentelor în serii după desenul dat, formarea zgârieturilor după o schemă anumită sau depunerea clişeului (matriţiei) de forma dorită).

Exemple de realizare a procedeului

Exemplul 1

Pe structura compozită obţinută de ITO/Si se depun amprente cu trei sarcini diferite: 0,1; 0,2 и 0,3 N, diagonalele cărora se măsoară. După aceasta structura compozită se supune tratamentului chimic cu aplicarea acidului fluorhidric concentrat (HF) timp de un minut, se spală cu apă distilată, apoi se măsoară diametrul figurilor de gravură. Raportul dimensiunilor diagonalelor amprentelor (d) şi diametrelor figurilor de gravură respective pentru timpul de acţiune de HF 1 min este prezentat în tabelul 1.

Tabelul 1

Raportul dimensiunilor diagonalelor de amprente (d) şi diametrelor figurilor de gravură respective pentru timpul de acţiune de HF 1 min

P, N Diagonala amprentei, d, µm Diametrul figurii de gravură, Df, µm δ Df=Df-d 0,1 4,02 5,60 1,58 0,2 4,84 6,72 1,88 0,3 5,80 7,80 2,00

Exemplul 2

Pe structura de compozit ITO/Si se depun amprente cu patru sarcini diferite: 0,1; 0,2; 0,3 şi 0,5 N, diagonalele cărora se măsoară. După aceasta structura compozită se supune tratamentului chimic cu acid fluorhidric concentrat (HF) timp de 1, 2, 4 şi 6 min, totodată pentru fiecare termen de tratament se măsoară diametrul figurilor de gravură şi se apreciază cinetica majorării diametrului figurilor de gravură odată cu majorarea duratei de tratament. Coeficienţii gradului de gravare al stratului ITO în funcţie de valoarea sarcinii aplicate (P) pentru diferite durate de gravare (τ) sunt prezentaţi în tabelul 2.

Tabelul 2

Modificarea coeficientului gradului de gravare a stratului ITO în funcţie de valoarea sarcinii aplicate (P) pentru diferite durate de gravare (τ)

P, N Diagonala amprentei, d, µm k = Df/d τ min→ 1 2 4 6 0,1 4,02 1,39 6,68 21,2 32,9 0,2 4,84 1,39 6,01 18,9 27,8 0,3 5,80 1,34 5,21 15,9 23,9 0,5 8,06 1,39 4,58 10,3 16,7

Exemplul 3

Pe structura de compozit ITO/Si se depun amprente cu şapte sarcini diferite: 0,01; 0,03; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 şi 0,5 N. Pentru sarcini mai mici (0,01; 0,03; 0,05 N) amprentele sunt atât de mici, încât nu pot fi măsurate chiar la mărirea de 800x a microscopului optic. Ulterior structura compozită este supusă tratamentului chimic cu acid fluorhidric concentrat (HF) timp de 1, 2, 4 şi 6 min, totodată pentru fiecare termen de tratament se măsoară diametrul figurilor de gravură obţinute, cu excepţia amprentei depuse cu 0,01 N (τ=1 min), pentru care figura se evidenţiază începând cu timpul de tratament 2 min. Modificarea dimensiunii figurilor de gravură a stratului ITO din jurul amprentelor de duritate în funcţie de timpul acţiunii acidului concentrat HF (τ) pentru diferite valori ale sarcinii aplicate (P) este prezentată în tabelul 3.

Tabelul 3

Modificarea dimensiunii figurilor de gravură a stratului ITO din jurul amprentelor de duritate în funcţie de timpul acţiunii acidului concentrat HF (τ) pentru diferite valori ale sarcinii aplicate (P)

Figurile comparate Durata tratamentului, τ, min P, N 0,01 0,03 0,05 00,1 0,2 0,3 0,5 Diagonala amprentei, d, µm 0 - - - 4,0 4,8 5,8 8,1 Dimensiunea figurilor de gravură, Df, µm 1 3,36 4,50 5,60 6,72 7,80 11,21 2 20,16 21,28 24,64 26,88 29,12 30,24 36,96 4 85,12 85,12 76,16 85,12 91,84 92,08 82,88 6 129,90 129,90 132,10 132,10 134,40 138,80 134,40

1. RU 2193080 C2 2002.11.20

2. RU 2129320 C1 1999.04.20

3. RU 2243613 C1 2004.12.27

Claims (1)

1. Procedeu de formare a unei microstructuri tridimensionale care include depunerea pe un suport a unui strat de lucru de substanţă cu structură compozită şi prelucrarea lui pentru înlăturarea selectivă a stratului de lucru din sectoarele prelucrate, caracterizat prin aceea că în calitate de suport se utilizează Si, în calitate de strat de lucru se depune un strat de ITO, prelucrarea structurii obţinute se efectuează prin microindentare cu sarcini în limitele 0,01…0,50 N cu înlăturarea ulterioară a sectoarelor deformate prin intermediul decapării chimice cu acid fluorhidric concentrat.